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　　摘要：可视化概念是从科学计算领域借鉴而来的。本文将该概念所内涵的思想应用到物理教学中，结合教学中的几个实例，尝试运用真实实验的手段设计教学，力求将物理概念和规律的形成过程可视化，将科学思维的过程可视化，从而改善和有效提升物理教学的水平，促进学科核心素养目标的达成。

　　关键词：可视化;教具;实验;物理教学

　　可视化原本是在科学计算领域中的一个概念，是指将科学数据转换成图形或图象显示出来，使随时间或空间变化的现象或过程形象地呈现在研究者面前。近几年来，随着信息技术手段的日益进步，许多教师在物理教学中开始越来越多地运用信息技术的手段来模拟真实的物理过程，包括VR、AI技术等，这些技术也使一些物理变化的过程变得“可视”。我们认为，先进的信息技术手段可以实现对微观或抽象物理过程的显示，但这种显示大多是基于虚拟平台上的一种模拟，在反映物理现象和规律方面，真实实验才是有意义的，也是信息化手段不能取代的。因此，我们倡导将可视化理念拓展到物理教学中，追求在实际教学中，通过真实实验的设计，将难以理解的物理概念和规律、不易观察到的现象或过程(包括一些习题的分析)通过实验手段真实地展示出来，使一些物理观念、科学思维的形成过程更直观、更形象。我们认为，这对中学生逐渐进人到物理专业学习的领域是有益的，既能促进学科核心素养在教学过程中得到落实，也会提升物理教学的品质。

　　1“浮力"系列知识的可视化实验设计

　　1.1浮力方向的可视化演示

　　在进行浮力方向的教学时，通常采用一个漂浮的物体进行分析，根据二力平衡的知识可知浮力与重力是一对平衡力，由于物体受到的重力方向是竖直向下的，从而得出浮力的方向应该竖直向上这个结论。在这种模型中，由于重力的方向是不可见的，需要学生想象重力的方向来推理浮力的方向，这对学生的想象和推理能力要求高，学生缺乏对浮力方向的直观认识。采用可视化的对照实验设计，就会使浮力方向更加直观。如阉1所示，用重锤通过细线悬挂一个乒乓球浸没在水中，在浮力的作用下，悬线呈竖直状态，与容器外悬挂的乒乓球进行对照，两条悬线均为竖直。其中，容器外的细线呈竖直状态可以使重力方向可视化，容器内的细线呈竖直状态使浮力的方向可视化。如图2所示，冉将容器倾斜一个角度，静止后发现两条悬线仍都为竖直状态，与图1中的实验对比，学生很容易理解浮力的方向始终是竖直向上。本实验中，悬线是使物理概念可视化的重要载体，这种设计将学生不能直接观察到的“方向”可视化，使浮力的方向是竖直的这一结论更为直观地展示在学生面前。

　　1.2浮力产生原因的可视化设计

　　浮力产生的原因是液体或气体对浸在其中的物体向上的压力与向下的压力之差。通常的设计如图3所示，将一个底端开口的可乐瓶倒置，将乒乓球放入瓶内，倒人水后，乒乓球被水压在瓶口而不会上浮，堵住瓶口，让乒乓球的底部积蓄水后和瓶内水相连，则乒乓球上浮起来。这个实验采用一个球的两次变化展示浮力的产生，需要学生重点观察水进人底部的过程，分析水进人底部对球的受力有什么不同的影响。可见，球被浮起来的分析过程是比较复杂的。而图4所示的设计则采用两个球进行对比，即在开口的可乐瓶里放入两个相同的乒乓球，倒入水后，其中一个乒乓球上浮到水面，另一个被水压在瓶口，只受到水对球向下的压力，即没有受到浮力。这种对比可以很直观区别出两个球底部受不受到水的压力的情况。如果将瓶口封住，则原本被压在瓶口的球也会因为底部水的进入受到浮力而上浮。通过这个对照实验，将两个球的不同状态定格，让学生有充分的时间来思考两个球的受力有何不同，从而提升了浮力产生原因的可视化效果。

　　2“滑轮”教学的可视化设计

　　对于滑轮的认识，有两种常见的教学模式。一种是对滑轮静止时的状态进行分析，将如图5所示的滑轮简化为如图6所示的杠杆，得出支点、动力、阻力及动力臂和阻力臂，这种方式需要比较强的科学思维能力，缺少对物理知识的建构过程。另一种是依据建构主义理论，引导学生经历从杠杆到滑轮的逐步演化过程。教学中先建构情境，从已学过的杠杆人手(见图7)，启发学生思考如何解决杠杆在提升物体时提升高度有限的问题。学生讨论后，得到图8所示的两个杠杆垂直使用的装置，启发学生思考，该装置在提升物体时，从一个杠杆到另一个杠杆时物体会发生较明显的晃动;为了减小这种晃动，可以考虑增加杠杆的个数，如图9所示的装置，继续引导学生思考，如果将许多杠杆连接起来使用，就相当于一个圆面，为了使物体平稳地上升，用一个带滑槽的轮来代替，就可以得到滑轮(见图10)的结构。这种设计是基于杠杆在提升物体时的逐步改进，从而很好地展示了从杠杆到滑轮的演变过程，使滑轮的杠杆本质可视化，更具有直观性。学生在教师的逐步引导下，完成了一次从杠杆到滑轮的创新设计过程。这种设计，也蕴涵着科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)的STEM理念。

　　3电流与电压的关系”实验数据处理的可视化

　　该实验中，对同一个电阻来说，电流与电压成正比，不同的电阻，这个比值是不同的。实验时，可以采用透明胶片进行数据处理，具体方法是：在相同的透明胶片上打印相同的直角坐标系，保证每张胶片在叠放时坐标是完全重合的。选用5fl、ion和1511的定值电阻，每组学生利用其中的一个电阻进行实验;这样一来，不同实验小组所用的电阻有的是相同的，有的是不同的，每组实验测出数据后均在坐标纸上描点作图，分别得到如图11、12和13所示的直线。教师将这些实验胶片叠放起来，用投影仪投射到大屏幕上进行比较，就会发现有的直线是重合的，有的直线是不重合的，如图14所示。将实验图线重合的进行对比，可以发现所用电阻是相同的;说明当电阻一定时，电流与电压成正比;图线不重合的小组所用电阻的阻值是不同的，即不同电阻的电压与电流之比不同。这种在透明胶片上进行描点作图，再将胶片叠放起来进行比较的方法，动态地将相同电阻和不同电阻的电流与电压的关系展示出来，发展了学生的进阶思维能力，实现了科学思维过程的可视化。这种方法还可以运用到“力的分解”的教学，我们知道，一个给定的力原则上可以有无数种分解方式。为了使这个观点可视化，可以在多张胶片相同的位置画出一个相同的力，让学生在各自的胶片上进行分解作图。虽然要分解的力是确定的，但学生的分解会有各种不同的方法;将所有学生的胶片叠放后，由于学生所画的平行四边形是不同的，但被分解的力是重合的.这样就得到图15所示的图像。通过这个图，可以将“力的分解有无穷解”这一观点直观的展示出来，实现物理知识的可视化。这种可视化的教学处理，是基于学生自己的作图与对叠加图像的分析，与教师直接讲授相比，知识的呈现更直观。

　　4习题情境的可视化

　　美国麻省理工学院的教授WalterLewin在“经典力学”课程里讲述斜抛运动时，为了证明斜抛运动的分运动分别是竖直上抛和匀速直线运动，在进行了理论计算(如图16所示)之后，设计了一个非常直观有趣的真实实验：将一个能发射小球对装置的发射口对准前方高处的玩具小猴(阁17所示为对准小球和小猴的初始位置在一条直线)，发射小球的同时，通过电磁控制小猴下落，小球在运动过程中总是能击中下落的小猴。这个真实实验的展示，使斜抛运动的分运动规律直观可视，理论计算的结果得到直观的证明。在平时的教学中，我们常常会遇到以实验为背景的习题。在进行这类习题教学时，往往需要学生在头脑中想象出试题的实际情境，这是需要逐步培养的。开始阶段如果能通过实验设计使习题的情境真实地展示在学生面前，这对学生的解题能力的训练也是有益处的。例题如图18所示，长为5m的细绳的两端分别系于竖立在地面上相距为4m的两杆顶端A、B。绳上挂一个光滑的轻质挂钩。它吊着一个重为12N的物体。求平衡时绳中的张力大小。的位置。当物体平衡时，挂钩两侧的拉力应该相同，两侧细绳与竖直方向的夹角应该相等，这对学生来说是一个理解上的难点。利用图19所示的实验装置，可以看到挂钩由图示位置运动至平衡位置的过程，这样就实现了难点的突破。由实验演示可以看出，平衡时两边的绳是关于竖直方向对称的，两侧的细绳上系有完全相同的橡皮筋，可以测量出橡皮筋伸长的长度也是相同的，即两侧绳的张力也是相同的。很显然，这个实验的设计，使习题所呈现的情境可视化，能很好地帮助学生理解题意。总之，在物理教学中，教师应该充分发挥真实实验的优势，力求真实地展示物理过程，使物理观念的形成过程、科学思维和实验探究的过程可视化，从而更好地促进物理学科核心素养的有效落实。

　　参考文献

　　[1]教育部.普通高中物理课程标准(2017年版)[S].北京：人民教育出版社，2018.1：4—6.

　　[2]人民教育出版社教材研究所.义务教育教科书(物理八年级下册)[M].北京：人民教育出版社，2012.

　　[3]上海市教材编写组.义务教育教科书(物理八年级全一册)[M].上海：上海科技出版社，2012.

　　作者：杨思锋 宋勇 单位：安徽省教育科学研究院 蚌埠市教育科学研究所

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